JP2008178895A

JP2008178895A - レーザ肉盛装置

Info

Publication number: JP2008178895A
Application number: JP2007014782A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Muromachi; 雅宏室町; Hiroshi Okada; 浩志岡田; Yoshiyuki Hashimoto; 義之橋本
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2008-08-07

Abstract

【課題】レーザ肉盛装置において、粉末供給ノズルの冷却により、肉盛被膜が安定する高出力・高速移動でも安定したレーザ肉盛及び母材のひずみ抑制を図ること。
【解決手段】レーザ肉盛装置は、移動可能に設置され、肉盛対象部にレーザビーム３を照射するレーザ照射ノズル２と、レーザ照射ノズル２に近接されてこのレーザ照射ノズル２と共に移動可能に設置され、肉盛対象部に金属粉末５を供給する粉末供給ノズル４と、粉末供給ノズル４の周囲に流体を通してこの粉末供給ノズル４を冷却する冷却手段１４とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ肉盛装置に係り、特に肉盛対象部に金属粉末を供給する粉末供給ノズルを備えたレーザ肉盛装置に好適なものである。

従来のレーザ肉盛装置としては、特開平９−３１４３６４号公報（特許文献１）に示されたものがある。このレーザ肉盛装置は、肉盛対象部にレーザビームを照射するレーザ照射ノズル（照射セル）と、このレーザ照射ノズルに近接されてこのレーザ照射ノズルと共に移動可能に設置され、肉盛対象部に金属粉末を供給する粉末供給ノズルと、を備えて構成されている。

特開平９−３１４３６４号公報

かかる特許文献１のレーザ肉盛装置において、粉末供給ノズルを肉盛対象部に近づけ過ぎると、レーザビームの熱により粉末供給ノズルが過熱されて破損してしまうおそれがあるため、粉末供給ノズルを肉盛対象部から離して配置せざるを得ないが、粉末供給ノズルを肉盛対象部から離すと、金属粉末が溶着部に供給され難くなり、肉盛対象部に安定して供給することが困難となる。このため、レーザ照射ノズル及び粉末供給ノズルを肉盛被膜が安定する高出力・高速移動でレーザ肉盛しようとすると、安定した肉盛被膜が得られないという問題が生ずる。一方、粉末供給ノズルを肉盛対象部から離した高出力・低速移動でレーザ肉盛しようとすると、レーザ肉盛される母材への入熱量が大きくなり過ぎて母材にひずみが生じて、このひずみの除去作業が必要となったり、このひずみによる母材の信頼性の欠如を招いたりするという問題が生ずる。

本発明の第１の目的は、粉末供給ノズルの冷却により、肉盛被膜が安定する高出力・高速移動でも安定したレーザ肉盛及び母材のひずみ抑制を図ることができるレーザ肉盛装置を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、安価な構成で粉末供給ノズルを冷却し、高出力・高速移動でも安定したレーザ肉盛及び母材のひずみ抑制を図ることができるレーザ肉盛装置を提供することにある。

前述の第１の目的を達成するための本発明の第１の態様は、移動可能に設置され、肉盛対象部にレーザビームを照射するレーザ照射ノズルと、前記レーザ照射ノズルに近接されてこのレーザ照射ノズルと共に移動可能に設置され、前記肉盛対象部に金属粉末を供給する粉末供給ノズルと、を備えたレーザ肉盛装置において、前記粉末供給ノズルの周囲に流体を通してこの粉末供給ノズルを冷却する冷却手段を備えたことにある。

係る本発明の第１の態様におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
（１）前記冷却手段を前記粉末供給ノズルの周囲に設けた冷却管路で形成したこと。

また、前述の第２の目的を達成するための本発明の第２の態様は、移動可能に設置され、肉盛対象部にレーザビームを照射するレーザ照射ノズルと、前記レーザ照射ノズルに近接されてこのレーザ照射ノズルと共に移動可能に設置され、前記肉盛対象部に金属粉末を供給する粉末供給ノズルと、を備えたレーザ肉盛装置において、不活性ガス供給源から供給される不活性ガスを所定の圧力とする昇圧装置と、前記昇圧装置から供給される不活性ガスの断熱膨張による断熱冷却装置と、前記断熱冷却装置から供給される常温より低い温度の不活性ガスを前記粉末供給ノズルの周囲に通してこの粉末供給ノズルを冷却する冷却手段と、を備えたことにある。

また、前述の第２の目的を達成するための本発明の第３の態様は、移動可能に設置され、肉盛対象部にレーザビームを照射するレーザ照射ノズルと、前記レーザ照射ノズルに近接されてこのレーザ照射ノズルと共に移動可能に設置され、前記肉盛対象部に金属粉末を供給する粉末供給ノズルと、を備えたレーザ肉盛装置において、不活性ガス供給源から供給される不活性ガスの断熱膨張による断熱冷却装置と、前記断熱冷却装置から供給される常温より低い温度の不活性ガスを前記粉末供給ノズルの周囲に通してこの粉末供給ノズルを冷却する第１の冷却手段と、前記第１の冷却手段から供給される不活性ガスを前記レーザ照射ノズルの周囲に通してこのレーザ照射ノズルを冷却する第２の冷却手段と、を備えたことにある。

係る本発明の第３の態様におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
（１）前記第１の冷却手段は、前記粉末供給ノズルに設けられたエルボから当該粉末供給ノズルの先端側に延び、さらに先端側から折返してエルボ側に延びる冷却管路で形成したこと。
（２）前記第２の冷却手段は、前記レーザ照射ノズルを冷却した不活性ガスを、前記レーザ照射ノズルから肉盛対象部に照射するレーザビームを包むように排出するように形成したこと。

かかる本発明の第１の態様のレーザ肉盛装置によれば、粉末供給ノズルの冷却により、レーザ照射ノズル及び粉末供給ノズルを高出力・高速移動しても金属粉末を安定して供給することができる距離まで粉末供給ノズルを肉盛対象部に近づけることができ、これにより安定したレーザ肉盛と母材のひずみの抑制とを図ることができる。

また、かかる本発明の第２及び第３の態様のレーザ肉盛装置によれば、安価な構成で粉末供給ノズルを冷却し、肉盛被膜が安定するレーザ照射ノズル及び粉末供給ノズルを高出力・高速移動で金属粉末を安定して供給することができる距離まで粉末供給ノズルを肉盛対象部に近づけることができ、これにより安定したレーザ肉盛と母材のひずみの抑制とを図ることができる。

以下、本発明の一実施形態のレーザ肉盛装置について図１から図３を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態のレーザ肉盛装置の構成図、図２は図１における粉末供給ノズルの説明図、図３は図１におけるレーザ照射ノズルの説明図である。本実施形態のレーザ肉盛装置は、耐摩耗や耐食性のある金属粉末をレーザにより母材表面に溶着したり、消耗した部分や寸法の足りない部分の表面に溶接金属を盛り上げて補修したりする際に、金属粉末を母材表面に供給してレーザ肉盛する装置の例である。

図１において、レーザ出力ヘッド１は、熱源となるレーザビーム３を出力するレーザ照射ノズル２を有し、例えば最大出力３ｋＷのレーザ出力である。レーザ照射ノズル２は、肉盛の対象となる母材７に対して直角に配置し、母材７に対して下向きの姿勢となる。

粉末供給ノズル４は、肉盛の対象となる母材７の表面の肉盛対象部６に粉末供給装置１８により一定量に調整した金属粉末５を自然落下により供給するものであり、レーザ出力ヘッド１により照射したレーザビーム３の熱エネルギーにより溶融した肉盛対象部６に向けて約３５度の斜め方向から例えば粒度分布−４５〜＋１５０μｍの金属粉末５を供給する。金属粉末５は、粉末供給管１３を通して粉末供給ノズル４に供給される。粉末供給管１３は、粉末供給ノズル４に金属粉末を供給する管路を構成するものであり、その先端側に粉末供給ノズル４を一体的に装着し、その根元側にエルボ１２を設置している。

レーザ出力ヘッド１と粉末供給間３と一体的に装置した粉末供給ノズル４とは、機械的に拘束されて同時に移動するように構成されている。粉末供給ノズル４は、その先端位置（ｘ，ｙ）を金属粉末の供給角度θを変えることなく変化させることが可能となっている。レーザ照射ノズル２及び粉末供給ノズル４を例えばレーザ出力２．８ｋｗ、移動速度３，８１８ｍｍ／ｍｉｎの高出力・高速移動で肉盛する場合、その状態で金属粉末５を安定して供給することが可能な粉末供給ノズル４の先端位置（ｘ，ｙ）となるように、粉末供給ノズル４を肉盛対象部に近づける。これにより安定したレーザ肉盛と母材のひずみの抑制とを図ることができる。

不活性ガス供給ボンベ１０は、不活性ガス供給源を構成するものであり、肉盛被膜を形成する際に還元雰囲気とするための不活性ガス及び粉末供給管１３・粉末供給ノズル４を冷却するための不活性ガスを貯留しておくボンベである。不活性ガスとしては、例えばアルゴンガスなどが用いられる。不活性ガス供給ボンベ１０から供給された不活性ガスは、昇圧装置１１で一定方向に噴射されることで所定の圧力が保たれるようになっている。昇圧装置１１で所定の圧力とされた不活性ガスは、膨張手段１５により断熱膨張され、常温、例えば２５℃より低い温度となり、冷却管路１４へ供給される。冷却管路１４は第１の冷却手段を構成するものである。

供給ホース９ａからエルボ１２を通して冷却管路１４に供給された不活性ガスは、冷却管路１４を通る際に、レーザ出力ヘッド１から出力したレーザビーム３の反射熱で加熱される粉末供給管１３の冷却を行う。冷却管路１４は、粉末供給管１３の周囲の壁面に螺旋状に配置されており、粉末供給管１３を効果的に冷却することができる。

粉末供給管１３を冷却した不活性ガスは、粉末供給ノズル４に延長された冷却管路１４を通る際に、レーザ出力ヘッド１から出力したレーザビーム３の反射熱で加熱される粉末供給ノズル４の冷却を行う。冷却管路１４は、粉末供給ノズル４の周囲の壁面に例えば螺旋状に配置されており、粉末供給ノズル４を効果的に冷却することができる。なお、冷却管路１４における不活性ガスによる冷却は、膨張手段１５により断熱冷却されて低温となった不活性ガスを用いているので、冷却装置がなくても冷却効果が得られる構造（ボイルシャルルの法則）となっている。

冷却管路１４は、粉末供給管１３の根元側に設けられたエルボ１２から当該粉末供給ノズル４の先端側に螺旋状に延び、さらに先端側から折返してエルボ側に螺旋状に延びるように形成されている。かかる構成によって、簡単、安価な構成で、粉末供給ノズル４を確実に冷却することができる。

エルボ１２に供給された不活性ガスは、エルボ１２から分岐された供給ホース９ｂを通って、レーザ照射ノズル２上部に備えたエルボ１７に供給される。エルボ１７に供給された不活性ガスは、図３の矢印に示すように、レーザ照射ノズル２の周囲に設けた流路１６を通過することにより、レーザ照射ノズル２の冷却を行う。冷却に用いた不活性ガス気体は、レーザ照射ノズル２から肉盛対象部に照射するレーザビーム３を包むように排出し、レーザビーム３と同軸上の肉盛対象部６に不活性ガスとして供給を行うために用いる。従って、不活性ガスは、肉盛層を形成する際に用いる空気との遮断機能と、粉末供給ノズル４および粉末供給管路１３の冷却する機能と、レーザ照射ノズル２を冷却する機能とを兼ねている。この点からも、安価なものとすることができる。

本発明の一実施形態のレーザ肉盛装置の構成図である。図１における粉末供給ノズルの説明図である。図１におけるレーザ照射ノズルの説明図である。

符号の説明

１…レーザ出力ヘッド、２…レーザ照射ノズル、３…レーザビーム、４…粉末供給ノズル、５…金属粉末、６…肉盛対象部、７…母材、９ａ、９ｂ…供給ホース、１０…不活性ガス供給ボンベ、１１…昇圧装置、１２…エルボ、１３…粉末供給管、１４…冷却管路、１５…膨張手段、１７…エルボ、１８…粉末供給装置。

Claims

移動可能に設置され、肉盛対象部にレーザビームを照射するレーザ照射ノズルと、
前記レーザ照射ノズルに近接されてこのレーザ照射ノズルと共に移動可能に設置され、前記肉盛対象部に金属粉末を供給する粉末供給ノズルと、を備えたレーザ肉盛装置において、
前記粉末供給ノズルの周囲に流体を通してこの粉末供給ノズルを冷却する冷却手段を備えた
ことを特徴とするレーザ肉盛装置。
請求項１において、前記冷却手段を前記粉末供給ノズルの周囲に設けた冷却管路で形成したことを特徴とするレーザ肉盛装置。
移動可能に設置され、肉盛対象部にレーザビームを照射するレーザ照射ノズルと、
前記レーザ照射ノズルに近接されてこのレーザ照射ノズルと共に移動可能に設置され、前記肉盛対象部に金属粉末を供給する粉末供給ノズルと、を備えたレーザ肉盛装置において、
不活性ガス供給源から供給される不活性ガスを所定の圧力とする昇圧装置と、
前記昇圧装置から供給される不活性ガスの断熱膨張による断熱冷却装置と、
前記断熱冷却装置から供給される常温より低い温度の不活性ガスを前記粉末供給ノズルの周囲に通してこの粉末供給ノズルを冷却する冷却手段と、を備えた
ことを特徴とするレーザ肉盛装置。
移動可能に設置され、肉盛対象部にレーザビームを照射するレーザ照射ノズルと、
前記レーザ照射ノズルに近接されてこのレーザ照射ノズルと共に移動可能に設置され、前記肉盛対象部に金属粉末を供給する粉末供給ノズルと、を備えたレーザ肉盛装置において、
不活性ガス供給源から供給される不活性ガスの断熱膨張による断熱冷却装置と、
前記断熱冷却装置から供給される常温より低い温度の不活性ガスを前記粉末供給ノズルの周囲に通してこの粉末供給ノズルを冷却する第１の冷却手段と、
前記第１の冷却手段から供給される不活性ガスを前記レーザ照射ノズルの周囲に通してこのレーザ照射ノズルを冷却する第２の冷却手段と、を備えた
ことを特徴とするレーザ肉盛装置。
請求項４において、前記第１の冷却手段は、前記粉末供給ノズルに設けられたエルボから当該粉末供給ノズルの先端側に延び、さらに先端側から折返してエルボ側に延びる冷却管路で形成したことを特徴とするレーザ肉盛装置。
請求項４において、前記第２の冷却手段は、前記レーザ照射ノズルを冷却した不活性ガスを、前記レーザ照射ノズルから肉盛対象部に照射するレーザビームを包むように排出するように形成したことを特徴とするレーザ肉盛装置。